鲁科版选修3-4 4.3光导纤维及其应用 达标作业（解析版)

4.3光导纤维及其应用
达标作业（解析版)
1．如图所示，口径较大、充满水的薄壁圆柱形浅玻璃缸底有一发光小球，则（ ）
A．小球必须位于缸底中心才能从侧面看到小球
B．小球所发的光能从水面任何区域射出
C．小球所发的光从水中进入空气后频率变大
D．小球所发的光从水中进入空气后传播速度变大
2．生活中有很多光现象，以下关于对光现象的解释说法不正确的是　　
A．我们看到水中的筷子弯折是光的折射现象
B．在光导纤维束内传送图象是利用光的全反射现象
C．水中的气泡特别明亮是光的干涉现象
D．小孔成像是利用光的直线传播
3．地表风速的大小对我们的生产生活有着很大的影响，所以我们经常会在铁路沿线、码头、建筑、索道、气象站、养殖场等处看到风速仪，它们能够实时进行数据收集并智能传送，其基本结构如图1所示。光源发出的光经光纤传输，被探测器接收。在风力作用下，风杯绕转轴以正比于风速（）的速率（）旋转，其关系为。风杯旋转会通过齿轮带动下面的凸轮圆盘旋转，当圆盘上的凸轮经过透镜系统时光被挡住。已知风杯与转轴距离为r，风杯每转动n圈带动凸轮圆盘转动一圈。计算机对探测器接收到的光强变化情况进行分析，就能得到风速的大小。在时间内探测器接收到的光强随时间变化的关系如图2所示。下列说法正确的是
A．光纤材料内芯的折射率小于外套的折射率
B．风杯旋转的角速度小于凸轮圆盘的角速度
C．在时间内，风速逐渐增大
D．在时间内，风的平均速率为
4．关于光纤的说法，正确的是
A．光纤是由高级金属制成的，所以它比普通电线容量大
B．光纤是非常细的特制玻璃丝，它的导电性能特别好
C．光纤是非常细的特制玻璃丝，由内芯和外套两层组成，光纤是利用全反射原理来实现光的传导的
D．在实际应用中，光纤必须呈笔直状态，因为弯曲的光纤是不能传导光的
5．光导纤维是利用光的全反射来传输光信号的如图所示，一光导纤维内芯折射率为，外层折射率为，一束光信号与界面夹角由内芯射向外层，要在界面发生全反射，必须满足的条件是????
A．，小于某一值 B．，大于某一值
C．，大于某一值 D．，小于某一值
6．如图所示为长直光纤的纵切面内层折射率为,外层折射率为为中轴线。光线自光纤左端进入,与中轴线夹角为,要使该光线总是发生全反射,应满足的条件是（ ）
A．角足够小
B．角足够大
C．角足够小
D．角足够大
7．光纤通信的优点是容量大、衰减小、抗干扰性强，光导纤维由内芯和外套两层介质组成。下列说法正确的是（　　）
A．光纤通信依据的原理是光的折射 B．内芯和外套的折射率相同
C．内芯比外套的折射率大 D．外套比内芯的折射率大
8．以下说法中错误的是（ ）
A．在电磁波接收过程中，使声音信号或图象信号从高频电流中还原出来的过程叫调制
B．火车过桥要慢行，目的是使驱动力频率远小于桥梁的固有频率，以免发生共振损坏桥梁
C．通过测量星球上某些元素发出光波的频率，然后与地球上这些元素静止时发光的频率对照，就可以算出星球靠近或远离我们的速度
D．光导纤维有很多的用途，它由内芯和外套两层组成，外套的折射率比内芯要小
9．图是一段长为L的直线段光导纤维内芯，一单色光从左端面射入光纤，已知光纤对该单色光的折射率为n，光在真空传播速度大小为c。
①求该单色光在光纤中传播的最短时间？
②已知光纤对该单色光的折射率，当该单色光以入射角从左端面射入，求此单色光从左端面传播到右端面所用的时间。
10．如图所示，一根长为L的直光导纤维，它的折射率为n，一束激光从它的左侧端面射入，又从它的右侧端面射出，调整激光束的入射方向，可测得激光束在直光导纤维中经历的最短时间为t1，最长时间为t2，求t1与t2之比．
11．电磁波谱中频率最高的是______ ，光纤通信中，光导纤维传递光信号是利用光的______ 现象，光从真空进入光导纤维后传播速度将______填“增大”“减小”或“不变”．
12．2009年诺贝尔物理奖获得者高锟被称为光导纤维之父．光纤由折射率为n1的内芯和折射率为n2的包层构成，则n1_______n2（填“＞”“＜”或“=”）．若光导纤维长度为L，光以入射角θ射到内芯与包层的界面上，如图所示，已知光在真空中传播的速度为c，则光在内芯中传播的速度为________，光信号从光导纤维的一端传播到另一端所需时间为________．

参考答案
1．D
【解析】
【详解】
A．小球发出的光先从水中传播，然后再射入空气中，故我们从侧面就可以看到小球，选项A错误；
B．由于光从水中射入空气中，故当入射角大于临界角时，光会发生全反射，故球所发的光不是从水面任何区域都能够射出的，选项B错误；
CD．光从水中进入空气后频率不变，由于折射率变小，故光的传播速度变大，选项C错误，D正确．
2．C
【解析】
【详解】
A.因为光的折射作用，所以我们看到水中的筷子是弯曲的，A正确。
B.光导纤维传输数据的原理利用了光的全反射，B正确。
C.水中的气泡特别明亮，是因为光从水射向气泡时，一部分光发生全反射造成的，C错误。
D.小孔成像利用了光的直线传播原理，所以得到的像是倒像，D正确。
3．D
【解析】
光纤材料是根据全反射原理制成的，其内芯的折射率大于外套的折射率，从而光能在内部发生全反射而传播，选项A错误；因风杯每转动n圈带动凸轮圆盘转动一圈，可知风杯旋转的角速度大于凸轮圆盘的角速度，选项B错误；根据图b可知，在△t内，通过的光照的时间越来越长，则风轮叶片转动的越来越慢，即转速逐渐减小，风速减小，选项C错误；在△t内挡了4次光，则T1＝．根据风轮叶片每转动n圈带动凸轮圆盘转动一圈可知：则风轮叶片转动的周期T=，则风轮叶片转动的平均速率，风的平均速率为，故D正确。故选D.
点睛：本题主要考查了圆周运动线速度、周期、转速之间的关系，能认真审题，搞清原理，同时能读懂b图是解题的关键．
4．C
【解析】
光纤通信利用了华裔科学家高锟博士提出的一个理论，光导纤维是一种非常细的特制玻璃丝，当光射入时满足光的全反射条件，从而发生全反射．最终实现传递信息的目的，故C正确，AB错误；广泛应用的光导纤维的外套折射率要比内芯折射率要小，是一种非常细的特制玻璃丝，可处于任意形状，故D错误．故选C．
点睛：利用光纤的全反射性来传递光信息，信息量大，信号好，不失真，光的全反射条件：光从光密介质进入光疏介质，且入射角大于等于临界角．
5．A
【解析】
【详解】
光在内芯和外层的界面上发生全反射，则内芯的折射率n1大于外层的折射率n2，由于入射角要大于等于临界角，所以α应小于某一值。故A正确，BCD错误。故选A。
【点睛】
解决本题的关键知道发生全反射的条件，即光从光密介质进入光疏介质，入射角大于等于临界角．
6．C
【解析】当光从光密介质射向光疏介质时，当入射角大于临界角时才会发生全反射现象，故，光线射到界面上的角足够大，即角足够小，故C正确．
7．C
【解析】A. 光纤通信依据的原理是光的全反射。故A错误；
C. 为了使光在光纤内以全反射的方式传播，内芯的折射率应该比包层大，故C正确，BD错误。
故选：C
8．A
【解析】在电磁波接收过程中，使声音信号或图象信号从高频电流中还原出来的过程叫解调，选项A错误；火车过桥要慢行，目的是使驱动力频率远小于桥梁的固有频率，以免发生共振损坏桥梁，选项B正确；通过测量星球上某些元素发出光波的频率，然后与地球上这些元素静止时发光的频率对照，根据多普勒效应就可以算出星球靠近或远离我们的速度，选项C正确；光导纤维有很多的用途，它由内芯和外套两层组成，外套的折射率比内芯要小，使得光能在光线内部全反射，选项D正确；故选A.
9．(1) （2）
【解析】（1）当光线垂直于左侧面入射时，光传播的路径最短x=L ①
由 得光在光纤中传播速度大小为 ②
光在光纤传播的最短时间为 ③
联解得 ④
（2）由于，得 ⑤
该单色光在光纤中中的路程 ⑥
传播时间 ⑦
由②⑥⑦得，
10．
【解析】
【详解】
激光束垂直左侧端面射入时，激光束在直光导纤维中经历的时间最短，由t1＝及n＝解得t1＝.
要使激光在直光导纤维内经历的时间最长，就要求激光在光导纤维内的路程最长，这就要求每一次反射时，入射角θ最小，即入射角θ恰为临界角C.当θ＝C时，激光的路程最长，所用时间也最长，此时激光束在沿光导纤维方向的速度分量为vsin θ，设光束为c，由L＝(vsin C)t2及n＝、sin C＝，解得t2＝ ，故.
11．γ射线；全反射；减小?
【解析】
【详解】
电磁波谱中频率最高的是γ射线，光纤通信中，光导纤维传递光信号是利用光的全反射现象，光从真空进入光导纤维后传播速度将减小．
12． >
【解析】
【分析】
光导纤维内芯和外套材料不同，所以具有不同的折射率．要想使光的损失最小，光在光导纤维里传播时一定要发生全反射．
【详解】
发生全反射的条件是：从光密介质到光疏介质，入射角大于或等于临界角；欲使光在n1和n2的界面上发生全反射，需有n1＞n2；光在介质n1中的传播最长路程为：；传播速度为：v=c/n1； 故最长时间：；